[發明專利]基于斑點干涉成像的地基望遠鏡離焦像差探測方法

有效

• 申請號: 201410139938.1
• 申請日: 2014-04-09
• 公開（公告）號: CN103868680A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發明（設計）人: 金振宇;楊磊;方玉亮;劉忠
• 申請（專利權）人: 中國科學院云南天文臺
• 主分類號: G01M11/02
• 分類號: G01M11/02;G01F19/00
• 代理公司: 昆明正原專利商標代理有限公司 53100
• 代理人: 金耀生

技術領域

本發明涉及天文測量與光學成像技術領域，具體是一種基于斑點干涉成像的地基望遠鏡離焦像差探測方法。

背景技術

望遠鏡的成像質量主要取決于主鏡、副鏡等主要成像元件的加工精度和安裝精度，通常安裝好的望遠鏡的成像質量是相對穩定的，但是離焦像差是例外。在望遠鏡運行過程中，由于探測器的安裝位置、環境溫度的變化等等都會產生望遠鏡的離焦像差，嚴重影響望遠鏡成像質量，因此如何高精度的探測焦點位置或離焦像差是保證運行過程中的望遠鏡成像質量的關鍵。對于地基望遠鏡主要的離焦像差探測的主要難點是地球湍流大氣的干擾，如何消除湍流大氣的干擾是地基望遠鏡實現高精度離焦像差探測的關鍵。

目前主要的望遠鏡離焦像差的探測方法有波前探測法、PSF分析法以及圖像最小熵法等等，PSF分析法和由于不能有效消除湍流大氣的干擾，只能在小口徑望遠鏡下實現離焦像差的探測，或在大口徑望遠鏡的低精度的離焦像差的探測中。其中PSF分析法還不能用于太陽觀測望遠鏡等對面源目標成像的望遠鏡。波前探測法可以有效消除湍流大氣的干擾，因此可以在大口徑望遠鏡的焦點探測中使用，但是需要高精度的波前探測器，需要很多附加光學系統，并且大氣視寧度差時探測精度也受影響。波前探測法對面源目標為觀測目標的望遠鏡的應用難度更高。

斑點干涉成像技術是一種天文高分辨成像技術，通過對序列短曝光(曝光時間<10ms)圖像的功率譜進行統計重建，實現天文或空間目標的高空間分辨率的自相關像的重建。利用斑點干涉術進行離焦像差的探測，在不需要增加額外的探測設備的前提下，可以有效消除湍流大氣的影響，實現高精度的離焦像差的探測，也可以在終端設計簡單機構對望遠鏡離焦像差的變化進行高精度的實時監測。該技術可以應用于任意地基望遠鏡的焦點探測中。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于斑點干涉成像技術的地基望遠鏡離焦像差的高精度探測方法。這種方法可以有效消除地球湍流大氣和觀測目標信息對地基望遠鏡離焦像差探測的干擾，實現地基望遠鏡離焦像差的高精度探測。

本發明人發現目標短曝光圖像的功率譜的低頻部分(低于當前大氣視寧度的頻率)相對于其他頻率，對離焦像差更為敏感，可以利用該頻段的相對能量對離焦像差進行測量。利用斑點干涉成像技術計算的瞬時功率譜比中已經消除了觀測目標信息和平均視寧度的影響，只留下了視寧度瞬時變化的影響。公式(1)是瞬時功率譜比的計算公式，

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式中PR是瞬時功率譜比，I是目標斑點圖的傅立葉頻譜，O是目標的傅立葉頻譜，H是大氣—望遠鏡瞬時光學傳遞函數。如果序列斑點圖I是探測器在焦點附近掃描的過程中拍的，那么公式(2)所計算的參數的最大時探測器離焦點的位置最近。

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式中，FE為離焦量測量參數，r₀為視寧度，D為望遠鏡口徑。在實際測量中FE還是會受到視寧度的瞬時起伏的影響，在焦點附近多次掃描以后按掃描位置對齊疊加，可以有效的消除視寧度瞬時起伏的影響，得到高精度的離焦像差的探測。

基于上述理論，本發明提出了如下的技術方案：

在望遠鏡終端安裝一臺可以快速讀出的CCD或CMOS相機，相機在焦點附近沿光軸的線性掃描，掃描范圍由望遠鏡的具體參數給出，相機的移動速度根據離焦像差測量精度和相機的讀出速度決定。離焦像差的檢測過程如下：

1）讓相機在掃描范圍內勻速運動，同時相機拍觀測目標的短曝光像，得到一組觀測結果；

2）利用公式(1)和公式(2)計算該組的序列離焦量參數FE；

3）在同樣的掃描區域，以相同的掃描速度，多次進行步驟1）步驟和2）的過程，獲得多組離焦量參數FE；

4）根據焦點具體位置，將多組FE對齊后疊加，得到FE最大所對應的焦點位置；

5）理論焦點位置和實測焦點位置的差利用公式(3)即可得到離焦像差，

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式中Δ是離焦像差的波像差峰谷值(P-V,單位nm)，d是理論焦點和實際焦點的距離，F/D是望遠鏡的成像焦比。

本發明的有益效果：

本發明與其他離焦像差探測方法相比，具有以下優點：

1、可以有效消除目標信息對離焦像差探測的影響，任意變化速度慢(<1分)的觀測目標都可以用于探測。

2、可以有效消除湍流大氣對離焦像差探測的干擾，實現高精度的離焦像差探測。